CN102900364A - 静态指向式旋转导向钻井工具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静态指向式旋转导向钻井工具，包括外筒，在外筒内设有从上至下依次连接的钻柱、中空万向联轴节和芯轴，钻柱转动连接在外筒内，在芯轴的上端部设有位于外筒内的偏置机构，在芯轴的下端部设有位于外筒内的关节轴承总成，在关节轴承总成的下方设有安装在外筒上的密封总成，在芯轴的下端固接有钻头。本发明通过采用少齿差偏心行星轮系实现芯轴的偏置，使该工具具有不受地质层影响的特点，因而能够获得稳定的造斜率，实现井眼轨迹的精确控制。不需要提钻就可以实现多种工作状态，达到增斜、降斜和稳斜的目的。能有效地改善了芯轴偏置时的受力状况，提高旋转导向工具的工作寿命。

Description

静态指向式旋转导向钻井工具
技术领域
本发明专利涉及石油、天然气等钻探领域的钻井工具，特别是关于一种静态指向式旋转导向钻井工具。 
背景技术
目前，钻井技术已经向超深井、大位移井和定向井等方向发展，传统的滑动式钻井工具已经不能满足当前的钻井需求，旋转导向钻井技术作为一种高科技钻井技术逐渐得到应用和发展。 
目前市场上的旋转导向工具主要有斯伦贝谢的Power Drive、贝克休斯的Auto Track及哈利伯顿的Geo-Pilot等。前两者属于推靠式旋转导向钻井工具，这两种钻井工具的特点是能够在钻头处获得较大的偏置力。但由于地质状况的不同及钻井液压力的变化会影响工具造斜率，造成井眼轨迹不圆滑，井身质量和井眼状况较差，容易产生井下事故。 
哈利伯顿的Geo-Pilot系统属于指向式旋转导向钻井工具，它采用控制钻柱弯曲特征来实现钻头轴线的有效导控，其优点是造斜率由工具本身确定，不受钻进地层岩性的影响，在软地层及不均质地层中效果明显，但芯轴承受高强度的交变应力，芯轴容易发生疲劳破坏，影响工具寿命。 
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种静态指向式旋转导向钻井工具,该工具既不受地质层影响，又能实现井眼轨迹的精确控制，同时又具有较长的工作寿命。 
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种静态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，包括外筒，在外筒内设有从上至下依次连接的钻柱、中空万向联轴节和芯轴，所述钻柱转动连接在外筒内，在所述芯轴的上端部设有位于所述外筒内的偏置机构，在所述芯轴的下端部设有位于所述外筒内的关节轴承总成，在所述关节轴承总成的下方设有安装在外筒上的密封总成，在所述芯轴的下端固接有钻头； 
所述偏置机构包括伺服电机I，所述伺服电机I的输出轴上连接有齿轮III，所述齿轮III与内偏心齿轮连接，所述内偏心齿轮设有与所述齿轮III啮合的外齿圈和与行星齿轮啮合的内齿圈，在所述行星齿轮上设有小偏心孔，所述小偏心孔内安装有向心关节轴承， 所述向心关节轴承内支撑有所述芯轴；所述偏置机构还包括伺服电机II，所述伺服电机II的输出轴上连接有齿轮IV，所述齿轮IV上啮合有外偏心齿轮，在所述外偏心齿轮上设有大偏心孔，所述大偏心孔内设有与其转动连接的所述行星齿轮； 
所述中空万向联轴节包括依次连接的上连接叉、连接轴和下连接叉，在所述连接轴的外围设有密封波纹管，所述上连接叉与所述钻柱的下端连接，所述下连接叉与所述芯轴的上端连接。 
所述内偏心齿轮通过轴承V连接在内偏心外筒内，所述外偏心齿轮通过轴承Ⅵ连接在外偏心外筒内，所述内偏心外筒和所述外偏心外筒固接，并固定在所述外筒内，所述伺服电机I和所述伺服电机II固定在所述内偏心外筒上。 
所述关节轴承总成包括安装在所述芯轴上的调心轴承，所述调心轴承的两端各设有一推力轴承。 
本发明具有的优点和积极效果是： 
1）通过采用少齿差偏心行星轮系实现芯轴的偏置，使该工具具有不受地质层影响的特点，因而能够获得稳定的造斜率，实现井眼轨迹的精确控制。 
2）通过采用少齿差偏心行星轮系实现芯轴的偏置，通过内偏心齿轮和外偏心齿轮不同的组合得到不同的造斜率，这样在应用过程中不需要提钻就可以实现多种工作状态，达到增斜、降斜和稳斜的目的。 
3）通过采用中空万向连轴节实现钻柱与芯轴的连接，有效地改善了芯轴偏置时的受力状况，因而能够提高旋转导向工具的工作寿命。 
附图说明
图1为本发明的原理示意图； 
图2是本发明上段部的结构示意图； 
图3是本发明下段部的结构示意图； 
图4是本发明处于极大偏置状态时图3的A-A剖视图； 
图5是本发明处于极小偏置状态时图3的A-A剖视图。 
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下： 
请参见图1～图5，一种静态指向式旋转导向钻井工具包括外筒20，在外筒20内设 有从上至下依次连接的钻柱1、中空万向联轴节2和芯轴3，所述钻柱1转动连接在外筒20内，在所述芯轴3的上端部设有位于所述外筒20内的偏置机构，在所述芯轴3的下端部设有位于所述外筒20内的关节轴承总成14，在所述关节轴承总成14的下方设有安装在外筒20上的密封总成19，在所述芯轴3的下端固接有钻头4； 
所述偏置机构包括伺服电机I21，所述伺服电机I21的输出轴上连接有齿轮IIII23，所述齿轮III23与内偏心齿轮5连接，所述内偏心齿轮5设有与所述齿轮III23啮合的外齿圈6和与行星齿轮8啮合的内齿圈7，在所述行星齿轮8上设有小偏心孔12，所述小偏心孔12内安装有向心关节轴承13，所述向心关节轴承13内支撑有所述芯轴3；所述偏置机构还包括伺服电机II22，所述伺服电机II22的输出轴上连接有齿轮IV24，所述齿轮IV24上啮合有外偏心齿轮9，在所述外偏心齿轮9上设有大偏心孔10，所述大偏心孔10内设有通过轴承VII27与其转动连接的所述行星齿轮8。 
所述中空万向联轴节2包括依次连接的上连接叉2-1、连接轴2-3和下连接叉2-5，在所述连接轴2-3的外围设有密封波纹管2-6，所述上连接叉2-1与连接轴2-3采用上十字轴2-2连接，所述连接轴2-3与下连接叉2-5通过下十字轴2-4连接，所述上连接叉2-1与所述钻柱1的下端连接，所述下连接叉2-5与所述芯轴3的上端连接。 
所述内偏心齿轮5通过轴承V25连接在内偏心外筒17内，所述外偏心齿轮9通过轴承VI26连接在外偏心外筒18内，所述内偏心外筒17和所述外偏心外筒18固接，并固定在所述外筒20内，所述伺服电机I21和所述伺服电机II22固定在所述内偏心外筒17上。 
所述关节轴承总成14包括安装在所述芯轴3上的调心轴承14-1，所述调心轴承14-1的两端各设有一推力轴承14-2、14-3。 
本发明的工作原理： 
钻柱1旋转产生的扭矩通过中空万向联轴节2和芯轴3作用于钻头4实现对岩层的切削，钻井液通过中空的钻柱1、中空万向联轴节2和中空的芯轴3、钻头4输送至井底，中空万向联轴节2通过焊接在其外表面的波纹管2-6实现密封。调心轴承14-1、上推力轴承14-2和下推力轴承14-3组成的关节轴承总成14为芯轴3的转动支点。 
在伺服电机II22没有输出的情况下，与齿轮IV24啮合的外偏心齿轮9无转动。此时，安装在外偏心齿轮9大偏心孔内的行星齿轮8的行星齿轮转动中心线11相对固定。伺服电机I21通过齿轮III23为整个偏置机构提供动力。齿轮III23通过与其啮合的内偏心齿轮 5的外齿圈6，带动内偏心齿轮5的内齿圈7转动，行星齿轮8在与其啮合的内齿圈7带动下转动，从而形成了行星齿轮8的自转。通过向心关节轴承13，安装在行星齿轮8小偏心孔12内的芯轴3将随行星齿轮8运动，并绕关节轴承总成14转动，相对外偏心齿轮转动中心线15产生一定的偏角，从而实现钻头4的偏置。 
在伺服电机I21没有输出的情况下，与齿轮Ⅲ23啮合的内偏心齿轮5无转动，此时，外齿圈6和内齿圈7相对外筒20固定，伺服电机Ⅱ22通过齿轮Ⅳ24为整个偏置机构提供动力。齿轮Ⅳ24带动与其啮合的外偏心齿轮9转动，从而带动安装在外偏心齿轮9内的行星齿轮8与内齿圈7啮合转动，使行星齿轮8产生公转。通过向心关节轴承13安装在行星齿轮8小偏心孔12内的芯轴3也将随行星齿轮8运动，并绕关节轴承总成14转动，相对外偏心齿轮转动中心线15产生一定的偏角，从而实现钻头4的偏置。 
在伺服电机I21和伺服电机Ⅱ22同时输出的情况下，行星齿轮8既可以自转，又可以公转，从而更有效地实现钻头4的偏置。在大偏心孔10相对外偏心齿轮转动中心线15的偏心位移与小偏心孔相对行星齿轮转动中心线11的偏心位移相等的情况下，通过对伺服电机I21和伺服电机Ⅱ22的控制可以实现图4所示的极大偏置状态和图5所示的极小偏置状态，即偏置量为零。 
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种静态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，包括外筒，在外筒内设有从上至下依次连接的钻柱、中空万向联轴节和芯轴，所述钻柱转动连接在外筒内，在所述芯轴的上端部设有位于所述外筒内的偏置机构，在所述芯轴的下端部设有位于所述外筒内的关节轴承总成，在所述关节轴承总成的下方设有安装在外筒上的密封总成，在所述芯轴的下端固接有钻头；
所述偏置机构包括伺服电机I，所述伺服电机I的输出轴上连接有齿轮Ⅲ，所述齿轮Ⅲ与内偏心齿轮连接，所述内偏心齿轮设有与所述齿轮Ⅲ啮合的外齿圈和与行星齿轮啮合的内齿圈，在所述行星齿轮上设有小偏心孔，所述小偏心孔内安装有向心关节轴承，所述向心关节轴承内支撑有所述芯轴；所述偏置机构还包括伺服电机Ⅱ，所述伺服电机Ⅱ的输出轴上连接有齿轮Ⅳ，所述齿轮Ⅳ上啮合有外偏心齿轮，在所述外偏心齿轮上设有大偏心孔，所述大偏心孔内设有与其转动连接的所述行星齿轮；
所述中空万向联轴节包括依次连接的上连接叉、连接轴和下连接叉，在所述连接轴的外围设有密封波纹管，所述上连接叉与所述钻柱的下端连接，所述下连接叉与所述芯轴的上端连接。
2.根据权利要求1所述的静态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述内偏心齿轮通过轴承Ⅴ连接在内偏心外筒内，所述外偏心齿轮通过轴承Ⅵ连接在外偏心外筒内，所述内偏心外筒和所述外偏心外筒固接，并固定在所述外筒内，所述伺服电机I和所述伺服电机Ⅱ固定在所述内偏心外筒上。
3.根据权利要求1所述的静态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述关节轴承总成包括安装在所述芯轴上的调心轴承，所述调心轴承的两端各设有一推力轴承。
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